Dark Matter Particle Explorer: Ten-Year On-Orbit Performance and Scientific Outcomes

Das Universum ist erfüllt von unsichtbaren Reisenden. Dies sind kosmische Strahlen, hochenergetische Teilchen, die aus dem tiefen Weltraum auf die Erde regnen. Seit fast einem Jahrhundert fragen sich Wissenschaftler, woher diese Teilchen kommen und wie sie eine solch unglaubliche Geschwindigkeit erreichen. Gleichzeitig wissen Astronomen, dass der Großteil des Universums aus etwas besteht, das sie überhaupt nicht sehen können: Dunkler Materie. Diese mysteriöse Substanz sendet kein Licht aus, aber ihre Gravitation hält Galaxien zusammen. Falls Dunkle Materie aus Teilchen besteht, könnten diese gelegentlich kollidieren und verschwinden, indem sie sich in gewöhnliche Teilchen wie Elektronen oder Gammastrahlen verwandeln. Das Finden dieser spezifischen Signale wäre ein Durchbruch, der die wahre Natur des dunklen Universums enthüllen würde. Um diese flüchtigen Besucher einzufangen, benötigen Wissenschaftler Instrumente, die die Energie und Richtung von Teilchen mit extremer Präzision messen können, weit über das hinaus, was bodengebundene Teleskope leisten können.

Im Jahr 2015 startete China einen Satelliten namens DAMPE, benannt nach „Wukong“, dem Affenkönig, um nach diesen Hinweisen zu suchen. Nun hat ein Forscherteam einen Bericht über die ersten zehn Jahre des Betriebs des Satelliten veröffentlicht, der detailliert beschreibt, wie das Instrument performt hat und was es entdeckt hat. Der Satellit trägt einen hochentwickelten Detektor, der wie eine riesige, dreidimensionale Kamera für Teilchen fungiert. Er ist aus vier Schichten von Sensoren aufgebaut. Die oberste Schicht fängt die elektrische Ladung der einfallenden Teilchen auf. Darunter zeichnet ein Tracker deren Pfad auf. Das Herzstück der Maschine ist ein dicker Kristallblock, der die Teilchen absorbiert und ihre Gesamtenergie misst. Schließlich sucht eine untere Schicht nach Neutronen, was hilft, zwischen verschiedenen Arten von Teilchen zu unterscheiden. In den letzten zehn Jahren hat dieses Instrument Milliarden von Ereignissen aufgezeichnet und dabei eine stetige und präzise Leistung erbracht, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Energie der kosmischen Strahlung mit beispielloser Detailgenauigkeit abzubilden.

Einer der bedeutendsten Erfolge, der berichtet wurde, ist die Messung des Energiespektrums von Elektronen und ihren Antimaterie-Zwillingen, den Positronen. Durch die Analyse der Daten aus den ersten Jahren der Mission fand das Team einen deutlichen Bruch im Fluss dieser Teilchen. Während die Energie der Elektronen steigt, sinkt die Anzahl der Teilchen auf eine bestimmte Weise ab, aber bei einem Energieniveau von etwa 0,9 TeV ändert sich dieses Muster schlagartig. Dieser „Bruch“ deutet darauf hin, dass die Quelle dieser hochenergetischen Elektronen nicht gleichmäßig über die Galaxie verteilt ist. Er weist auf einen spezifischen, nahegelegenen Beschleuniger hin, wie etwa einen Pulsar, oder vielleicht auf ein Signal von interagierenden Dunkle-Materie-Teilchen. Die Daten sind präzise genug, um einen einfachen, glatten Rückgang der Zahlen auszuschließen, und bestätigen, dass im hochenergetischen Himmel etwas Komplexes geschieht.

Der Satellit wandte seine Aufmerksamkeit auch den schwereren Kernen zu, die den Großteil der kosmischen Strahlung ausmachen, wie etwa Protonen, Helium, Kohlenstoff und Eisen. Lange Zeit erwarteten Wissenschaftler, dass die Energiespektren dieser verschiedenen Elemente ähnlich aussehen würden, vielleicht nur durch ihre Masse verschoben. Doch DAMPEs Messungen enthüllten eine überraschende neue Struktur. Wenn die Energie dieser Teilchen einen bestimmten Punkt erreicht, sinkt ihre Anzahl steiler als zuvor ab. Entscheidend ist, dass dieser Abfall bei einer spezifischen „Rigidität“ erfolgt – einem Maß dafür, wie schwierig es ist, die Bahn eines Teilchens mit einem Magnetfeld zu krümmen. Das Team fand heraus, dass diese Steilheit bei Protonen, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen bei der gleichen Rigidität auftritt, unabhängig von ihrer Masse. Dieses universelle Verhalten legt nahe, dass das Limit durch den Beschleunigungsprozess selbst oder durch die Art und Weise, wie diese Teilchen durch die Galaxie reisen, gesetzt wird, statt durch die spezifische Art des Teilchens. Dieser Befund liefert einen starken Hinweis darauf, dass die Quellen der kosmischen Strahlung eine gemeinsame Energiegrenze haben.

Auf der Suche nach Dunkler Materie suchte der Satellit nach einer sehr spezifischen Signatur: einer scharfen, einzelnen Linie von Gammastrahlen. Wenn Dunkle-Materie-Teilchen kollidieren und annihilieren, sollten sie Gammastrahlen mit einer sehr spezifischen Energie erzeugen, die als Spitze in den Daten erscheint. Die Forscher scannten einen breiten Energiebereich von 10 bis 300 GeV unter Verwendung der hochauflösenden Kristalle des Satelliten, um nach solchen Spitzen zu suchen. Sie fanden keine solchen Linien. Dies bedeutet zwar, dass sie keinen direkten Beweis für die Annihilation Dunkler Materie in diesem Energiebereich gefunden haben, doch das Ergebnis ist dennoch aussagekräftig. Der Satellit setzte enge Grenzen für die Häufigkeit, mit der Dunkle Materie annihilieren kann, und schloss damit viele theoretische Modelle aus. Da das Instrument über eine so feine Energieauflösung verfügt, sind seine Einschränkungen mit denen anderer großer Weltraumteleskope konkurrierbar oder in einigen Fällen sogar stärker, obwohl es weniger Gesamtdaten gesammelt hat.

Über die Suche nach Dunkler Materie und dem Ursprung der kosmischen Strahlung hinaus hat die Mission auch das Verhalten sekundärer Teilchen kartiert. Wenn primäre kosmische Strahlen mit Gas im Weltraum kollidieren, erzeugen sie leichtere Elemente wie Bor. Durch die Messung des Verhältnisses von Bor zu schwereren Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff können Wissenschaftler verstehen, wie die kosmische Strahlung durch die Galaxie driftet. DAMPE fand heraus, dass sich dieses Verhältnis auf eine Weise verändert, die klassische Modelle nicht vorhergesagt hatten, was eine Verfestigung des Spektrums bei hohen Energien zeigt. Dies deutet darauf hin, dass sich die Art und Weise, wie die kosmische Strahlung durch die Galaxie diffundiert, bei sehr hohen Geschwindigkeiten ändert, möglicherweise langsamer als erwartet. Diese Entdeckung fügt unserem Verständnis darüber, wie Teilchen sich durch das interstellare Medium bewegen, eine neue Ebene der Komplexität hinzu.

Während der Satellit seinen Betrieb fortsetzt, arbeitet das Team bereits daran, diese Messungen auf noch höhere Energien auszudehnen, um die Grenzen dessen, was wir über die energiereichsten Teilchen des Universums wissen, zu verschieben. Der Zehnjahresbericht bestätigt, dass das Instrument weiterhin auf seinem Höhepunkt arbeitet und bereit ist, mehr Daten zu sammeln, die letztendlich die langjährigen Geheimnisse der kosmischen Strahlung und der Dunklen Materie lösen könnten. Die bisherigen Erkenntnisse haben noch keine endgültige Antwort geliefert, aber sie haben eine viel klarere Karte des Problems gezeichnet, indem sie genau aufzeigen, wo die Anomalien liegen, und so die nächste Generation von Experimenten leiten.